伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人課件第4章 伺服系統(tǒng)常用測量元件

第四章伺服系統(tǒng)常用測量元件李鑫合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院第四章伺服系統(tǒng)常用測量元件4.1概述4.2編碼器4.3旋轉(zhuǎn)變壓器4.4光柵4.5磁柵尺總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut24.1概述2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut3類型數(shù)字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式回轉(zhuǎn)型光電盤、圓光柵編碼盤旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、圓形磁尺多級旋轉(zhuǎn)變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器組合直線型長光柵、激光干涉儀編碼尺直線感應(yīng)同步器、磁尺絕對值式磁尺

測量元件是伺服系統(tǒng)重要組成單元，為了實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的伺服性能，測量元件應(yīng)能實(shí)時(shí)地對被測對象的伺服參數(shù)（位移、速度、加速度、加加速度和力、轉(zhuǎn)矩等機(jī)械量）進(jìn)行檢測。常用的檢測（角）位移、（角）速度的測量元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和編碼器。常用的位置檢測裝置分類見下表。4.2編碼器-結(jié)構(gòu)與原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut4增量式光電編碼器原理圖增量式光電編碼器輸出信號（正轉(zhuǎn)）1.增量式光電編碼器4.2編碼器-結(jié)構(gòu)與原理2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut5絕對式光電編碼器原理圖2.絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器碼盤4.2編碼器-主要參數(shù)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut6電源電壓：工作電壓一般有DC10~30V和DC5V±10%倆種。耗流量（空載）：空載時(shí)的電流。分辨率：以編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號腳本周期數(shù)來表示的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。精度：是指編碼器輸出的信號數(shù)據(jù)對測量的真實(shí)角度的準(zhǔn)確度，對應(yīng)的參數(shù)是角分、角秒。最高響應(yīng)頻率：一秒內(nèi)能響應(yīng)的最大脈沖數(shù)。最高轉(zhuǎn)速：可響應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速，在此轉(zhuǎn)速下發(fā)生的脈沖能被響應(yīng)。截止頻率(-3dB、-6dB)信號輸出方式機(jī)械轉(zhuǎn)速（機(jī)械允許軸速）：編碼器的機(jī)械轉(zhuǎn)速以每分鐘最多可以旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來表示——r/min。軸載重能力：軸所能承受徑向和軸向載荷的能力。4.2編碼器-輸出信號2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut7集電極開路輸出電壓輸出差分長線驅(qū)動(dòng)推挽式輸出

編碼器的信號輸出波形有正弦波（電流或電壓）,方波(TTL、HTL)。TTL晶體管邏輯(5V±0.25)，HTL也稱高壓晶體管(10-24V)邏輯；方波輸出的也有分集電極開路輸出（OpenCollector）、電壓輸出（Voltage）、差分長線驅(qū)動(dòng)（LineDriver）、推挽式輸出（TotemPole）等4.2編碼器-應(yīng)用8編碼器的脈沖信號一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，可用于計(jì)數(shù)、測速、位置測量等作用EB62-CWZ6C輸出回路

NPN增量型接線原理4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-結(jié)構(gòu)9旋轉(zhuǎn)變壓器按用途的差異可分為計(jì)算用旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器；按輸出電壓的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系差異可分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例旋轉(zhuǎn)變壓器等；按旋轉(zhuǎn)變壓器在由其構(gòu)造的轉(zhuǎn)角運(yùn)算或相關(guān)變換及信號傳輸系統(tǒng)中的相對位置關(guān)系及具體作用可分為旋變發(fā)送機(jī)、旋變差動(dòng)發(fā)送機(jī)和旋變變壓器等；根據(jù)轉(zhuǎn)子電信號引進(jìn)、引出的方式，分為有刷旋轉(zhuǎn)變壓器和無刷旋轉(zhuǎn)變壓器；按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度限制義可分為有限轉(zhuǎn)角和無限轉(zhuǎn)角兩種類型；按極對數(shù)差異又可分為單對極和多對極旋轉(zhuǎn)變壓器。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfutA—普通旋轉(zhuǎn)變壓器B—環(huán)形變壓器無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-結(jié)構(gòu)102024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut類型精度工藝相位移可靠性結(jié)構(gòu)成本有刷型高差小差復(fù)雜高環(huán)變型高一般比較大好一般一般磁阻型低好大最好簡單低各種類型的旋轉(zhuǎn)變壓器性能、特點(diǎn)比較

有刷旋轉(zhuǎn)變壓器可以得到最小的電氣誤差、最大的精度。但是由于在結(jié)構(gòu)上，存在著電的滑動(dòng)接觸，因此可靠性差；環(huán)形變壓器型的旋變，也可達(dá)到高的精度，工藝性、結(jié)構(gòu)情況、可靠性以及成本都比較好；磁阻式旋變的可靠性、工藝性、結(jié)構(gòu)性以及成本都是最好的，但精度比其它兩種低。4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-工作原理112024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut旋變發(fā)送機(jī)兩相輸出電壓和轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線旋變變壓器輸出電動(dòng)勢和失調(diào)角的關(guān)系曲線旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置伺服控制系統(tǒng)4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-主要參數(shù)122024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut額定勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁頻率：勵(lì)磁電壓都采用比較低的數(shù)值，一般在10V以下。旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁頻率通常采用400Hz、以及（5～10）kHz之間。變壓比和最大輸出電壓：變壓比是指當(dāng)輸出繞組處于感生最大輸出電壓的位置時(shí)，輸出電壓和原邊勵(lì)磁電壓之比。極對數(shù)：旋轉(zhuǎn)變壓器的極對數(shù)表示了轉(zhuǎn)子和定子繞組的正弦分布在一次旋轉(zhuǎn)中的重復(fù)頻率。極對數(shù)越高，旋轉(zhuǎn)變壓器機(jī)械精度越高。對于多極對，絕對角度數(shù)據(jù)可能會丟失，但在對旋轉(zhuǎn)變壓器信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換后，會獲得更高的分辨率。電氣誤差阻抗相位移零位電壓：輸出電壓基波同相分量為零的點(diǎn)稱為電氣零位，此時(shí)所具有的電壓稱為零位電壓?；鶞?zhǔn)電氣零位：確定為角度位置參考點(diǎn)的電氣零位點(diǎn)稱作基準(zhǔn)電氣零位。4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-輸出信號及處理132024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC的連接圖示意旋轉(zhuǎn)變壓器的信號輸出是兩相正交的模擬信號，它們的幅值隨著轉(zhuǎn)角做正余弦變化，頻率和勵(lì)磁頻率一致。這樣一個(gè)信號還不能直接應(yīng)用，這就需要角度數(shù)據(jù)變換電路，把這樣一個(gè)模擬量變換成明確的角度量，這就是RDC（ResolverDigitalconverter-旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字變換器）電路。4.3旋轉(zhuǎn)變壓器-應(yīng)用142024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut

在很多場合下，旋轉(zhuǎn)變壓器可以單獨(dú)作為測角元件用，直接和角度信號變換單元連接，由角度變換單元輸出角度信號數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)變壓器解碼后角度顯示旋轉(zhuǎn)變壓器接口示意圖4.4光柵152024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut直線光柵尺外形

光柵尺也稱為光柵尺位移傳感器或光柵尺傳感器，是通過利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。通常采用非接觸式測量，作為伺服控制系統(tǒng)的位置檢測元件以構(gòu)成全閉環(huán)控制。4.4.1光柵結(jié)構(gòu)162024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut直線光柵尺結(jié)構(gòu)圖直線透射式光柵由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成，光柵讀數(shù)頭包括光源、透鏡、光電元件、指示光柵等。標(biāo)尺光柵和指示光柵也可稱為長光柵和短光柵，它們的線紋密度相等。長光柵可安裝在機(jī)床的固定部件上（如機(jī)床床身），其長度應(yīng)等于工作臺的全行程；短光柵長度較短，隨光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上。4.4.2光柵尺工作原理172024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut直線光柵尺原理圖在測量時(shí)，長短兩光柵尺面相互平行地重疊在一起，并保持0.01至0.1mm的間隙，指示光柵相對標(biāo)尺光柵在自身平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小的角度θ。當(dāng)光線平行照射光柵時(shí)，由于光的透射和衍射效應(yīng)，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋——莫爾條紋。4.4.3光柵的辨向與信號處理182024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut在移動(dòng)過程中，經(jīng)過光柵的光線，其光強(qiáng)呈正（余）弦函數(shù)變化，反映莫爾條紋的移動(dòng)的光信號由光電元件接收轉(zhuǎn)換成近似正（余）弦函數(shù)的電壓信號；經(jīng)信號處理裝置整形、放大及微分處理后，即可輸出與檢測位移成比例的脈沖信號。為了既能計(jì)數(shù)，又能判別工作臺移動(dòng)的方向，光柵用了4個(gè)光電元件。每個(gè)光電元件相距四分之一柵距（W/4）。當(dāng)指示光柵相對標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過各個(gè)光電元件的時(shí)間不一樣，光電元件的電信號雖然波形一樣，但相位相差1/4周期。根據(jù)各光電元件輸出信號的相位關(guān)系，就可確定指示光柵移動(dòng)的方向。光柵的特點(diǎn)：有很高的檢測精度?，F(xiàn)在光柵的精度可達(dá)微米級，再經(jīng)細(xì)分電路可以達(dá)到0.1微米。響應(yīng)速度較快，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，易于實(shí)現(xiàn)檢測及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化控制。對使用環(huán)境要求高，怕油污、灰塵及振動(dòng)。由于標(biāo)尺光柵一般較長，故安裝、維護(hù)困難，成本高。4.4.4光柵的參數(shù)192024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut測量長度：量程是度量工具的測量范圍。其值由度量工具的最小測量值和最大測量值決定。精度等級：光柵尺準(zhǔn)確度等級有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm等。并不是所有的設(shè)備都選擇光柵尺的精度越高越好，精度越高成本越高。一般可以根據(jù)我們設(shè)備的精度來定位，比如設(shè)備的精度是0.01mm精度，可以選擇對應(yīng)的精度光柵尺。防護(hù)等級（EN60529）敞開式直線光柵尺的讀數(shù)頭有防塵防水要求，光柵尺無需特別防護(hù)。如果光柵尺可能被污染，必須采取防護(hù)措施。加速度直線光柵尺在安裝和工作時(shí)會承受不同類型的加速度作用。溫度范圍（工作溫度）：工作溫度范圍是指環(huán)境溫度范圍，在該范圍內(nèi)能保證直線光柵尺技術(shù)參數(shù)中的性能。最大運(yùn)動(dòng)速度：即光柵尺允許的最大運(yùn)動(dòng)速度。4.4.5光柵的應(yīng)用202024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut參數(shù)海德漢LIC4003日本三豐AT203雷尼招RTLFASTRACKTM匯川井道絕對值光柵尺測量長度24034044064084010401240144016401840204022402440264028403040(Robax玻璃陶瓷的最大測量長度為1640)100-6000mm最長10m(可根據(jù)要求提供10m以上長度)392m(可定制更大量程)精度等級（精度）±1μm(僅限Robax玻璃陶瓷)±3μm±5μm有效測量范圍:100-1500mm(3+3Lo/1000)μm有效測量范圍:1600-3000mm(5+5Lo/1000)μm有效測量范圍:3250-6000mm(5+8Lo/1000)μm20μm:±5μm/m40μm(高精度)∶±5μm/m40μm:±15μm/m重復(fù)精度±1mm絕對精度±(1+0.1L)mmL∶測量量程防護(hù)等級—IP65—IP54溫度范圍-10℃~70℃0℃~45℃—-20~65C最大響應(yīng)速度≤600m/min120m/min(有效測量范圍為3250-6000mm的型號:50m/min)—≤8m/s供電電壓DC3.6V至14V——DC12V~30V(紋波100mVpp)重量3g+0.11g/mm測量長度——0.5kg幾種光柵的技術(shù)指標(biāo)4.5.1磁柵的結(jié)構(gòu)212024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut磁性標(biāo)尺結(jié)構(gòu)圖磁柵檢測裝置由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭和檢測電路組成。多種形狀的磁性標(biāo)尺磁通響應(yīng)型磁頭磁柵檢測電路包括：磁頭勵(lì)磁電路，讀取信號的放大、濾波、整形及辨向電路，細(xì)分內(nèi)插電路，顯示及控制電路等部分。根據(jù)檢測方法不同，檢測電路分為鑒幅檢測和鑒相檢測。4.5.2磁柵的工作原理222024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut磁柵測量裝置是將具有一定節(jié)距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，用來作為測量基準(zhǔn)。在測量時(shí)，拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁化信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后再送到檢測電路中去，把磁頭相對于磁性標(biāo)尺的位置或位移量用數(shù)字顯示出來或轉(zhuǎn)化為控制信號輸入給數(shù)控機(jī)床。其工作原理是將高頻勵(lì)磁電流通以勵(lì)磁繞組時(shí)，在磁頭產(chǎn)生上磁通，當(dāng)磁頭靠近磁性標(biāo)尺時(shí)，磁性標(biāo)尺上的磁信號產(chǎn)生的磁通通過磁頭鐵心，并被高頻勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通調(diào)制，從而在拾磁繞組中感應(yīng)出電壓信號輸出。移動(dòng)方向檢測原理圖4.5.3磁柵的主要參數(shù)232024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut供電電壓：供電點(diǎn)處的線電壓或相電壓。重復(fù)精度：在一個(gè)確定的測量點(diǎn)位置上，每次被測量的量變化到這個(gè)位置時(shí)傳感器表現(xiàn)出來的測量差值。當(dāng)多次給定相同的輸入，傳感器的輸出不同。分辨率：磁柵尺的分辨率就是一個(gè)脈沖的間隔。輸出信號：磁柵尺輸出信號類型有單端或差分輸出、ABZ脈沖信號等形式。響應(yīng)頻率：也稱帶寬頻率，帶寬頻率越大，動(dòng)態(tài)性能迅速。移動(dòng)速度：磁柵基尺和磁頭之間相對移動(dòng)的速度。溫度范圍：運(yùn)行時(shí)適用的環(huán)境溫度，溫度區(qū)間越寬表示其適用的使用環(huán)境越寬。防護(hù)等級：IP（防護(hù)）等級由兩個(gè)數(shù)字所組成，第一個(gè)數(shù)字表示防塵；第二個(gè)數(shù)字表示防水，數(shù)字越大表示其防護(hù)等級越佳。如IP65，其中“6”表示完全防止粉塵進(jìn)入；“5”表示任何角度低壓噴射對設(shè)備無影響。線脹系數(shù)：亦稱線脹系數(shù)。固體物質(zhì)的溫度每改變1攝氏度時(shí)，其長度的變化和它在原溫度（不一定為0℃）時(shí)長度之比，叫做“線性膨脹系數(shù)"。4.5.4磁柵的應(yīng)用242024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut參數(shù)阿童木MH0-H200米朗MR50安捷高M(jìn)R20?？豈B160工作電壓5-24VDC5~30VDC5V±5%—功耗＜25ma24VDC＜50ma5VDC—<30mA（無負(fù)載）—防護(hù)等級IP67IP68IP67—分辨率1μm、5μm、10μm可選5μm1-50μm—輸出信號單端或差分A\B\Z正交A.B增量信號—儲藏溫度短期：-10℃~+60℃中期：0℃~40℃長期：+20℃—-20~78°C-40~70°C工作溫